Основы бурения и свойства горных пород

1
1 ОСНОВЫ БУРЕНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ
ПОРОД
1.1 Общие сведения о бурении скважин
1.1.1 Основные понятия о бурении скважин
Бурение скважин – совокупность работ по проведению в горных породах
выработок круглого сечения. Эти работы выполняются специальными
техническими средствами (буровыми установками и инструментами) без
доступа человека внутрь проводимой выработки.
Бурение скважин как отрасль знания разделяется на технику и
технологию бурения.
Техника бурения – отрасль знания о технических средствах для бурения
скважин.
Технология бурения – отрасль знания о технологических процессах, в
результате которых создаются скважины.
Буровой скважиной называется цилиндрическая горная выработка,
имеющая диаметр во много раз меньше глубины.
Диаметр буровых скважин изменяется в пределах 16–1,500 мм. В
некоторых случаях бурением осуществляют проходку стволов шахт диаметром
от 1,5 до 8 м. При разведочном бурении стремятся бурить скважины малого
диаметра, так как технические средства для бурения таких скважин имеют
меньшие габаритные размеры и меньшую массу, а скорость бурения возрастает.
Глубина буровых скважин изменяется в широких пределах:
от нескольких метров до нескольких тысяч метров. При бурении на нефть
и газ скважины достигли глубины 9550 м. Для изучения глубоких горизонтов
земной коры, ее полного пересечения и вскрытия верхней мантии Земли
запроектировано бурение скважин глубиной от 10 до 15 км и более.
Бурение скважин может производиться с земной поверхности, из
подземных горных выработок, с поверхности водоемов (рек, озер, морей и
океанов), с поверхности Луны, а в дальнейшем — с поверхности других планет.
1.1.2 Элементы буровой скважины
Элементами буровой скважины являются (рисунок 1.1):
Устье скважины 1, — начало скважины, т.е. место пересечения ее с
земной поверхностью или при подземном бурении с поверхностью горной
выработки.
Забой скважины 2 — дно буровой скважины, перемещающееся в
результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу.
Стенки скважины 3 — боковые поверхности буровой скважины.
Обсадные колонны 4 — колонны соединенных между собой обсадных
труб, концентрически расположенные в скважине и предназначенные для
крепления стенок скважины. Если стенки скважины сложены из устойчивых
пород, то в скважину обсадные колонны не спускают.
2
1 — устье; 2 — забой сплошной; 3 — стенки; 4 — обсадные колонны; 5 —
ствол скважины, не обсаженный трубами; 5а — ствол скважины, обсаженный
трубами; 6 — ось скважины; 7 — керн; 8 — забой кольцевой; D1, D2, D3 —
диаметры интервалов скважины; d1н, d1в, d2н, d2в – диаметры обсадных труб
наружные (н) и внутренние (в); dк — диаметр керна; L1, L2 — глубины
обсаженных интервалов скважины; L3 — общая глубина скважины
Рисунок 1.1 – Элементы буровой скважины
Ствол скважины — пространство в недрах, занимаемое буровой
скважиной. После спуска в скважину обсадной колонны ствол скважины
сужается. Поэтому следует различать:
а) ствол скважины, не обсаженный трубами 5, —пространство в недрах,
ограниченное стенками скважины;
б) ствол скважины, обсаженный трубами 5а, — пространство в недрах,
ограниченное внутренней поверхностью обсадной колонны.
Ось скважины 6 — воображаемая линия, соединяющая центры
поперечных сечений буровой скважины.
По способу разработки забоя бурение скважин разделяется на
бескерновое и колонковое.
Бескерновое бурение — бурение, при котором горная порода разрушается
на всей площади забоя 2, представляющего собой площадь круга.
Колонковое бурение — бурение, при котором горная порода разрушается
по кольцевому забою с сохранением керна 7 (см. рис. 1).
Керн 7 — колонка породы, образующаяся в результате кольцевого
разрушения забоя скважины. От слова «колонка» произошло и наименование
колонкового бурения. Керн (длиной 1,5— 3 м и более) после выбуривания
отрывают от забоя и извлекают из скважины для его исследования и
составления геологического разреза.
Скважины бурят ступенчато, уменьшая ее диаметр от интервала к
3
интервалу. Это делают с целью размещения обсадных колонн.
Основными размерами буровой скважины являются: диаметры
интервалов скважины в миллиметрах, диаметры наружные и внутренние
колонн обсадных труб в миллиметрах, глубина интервалов скважины от устья
до забоя в метрах; общая глубина скважины от устья до конечного забоя в
метрах (см. рис. 1).
1.1.3 Пространственное расположение скважин в недрах
Пространственное расположение буровой скважины в недрах
определяется следующими факторами:
1) координатами центра устья скважины х, у, z;
2) направлением скважины;
3) углом наклона скважины;
4) азимутом скважины;
5) глубиной.
Координаты х и у центра устья скважины выражаются в единой системе
прямоугольных координат Гаусса—Крюгера, принятой в СССР. Аппликата z
является абсолютной, или высотной, отметкой, которая указывает превышение
центра устья скважины относительно поверхности океанов, принимаемой за
нуль.
По направлению буровые скважины разделяются на пять типов:
1) вертикальные — направленные вертикально вниз;
2) наклонные — направленные вниз под острым углом к вертикали;
3) горизонтальные — направленные горизонтально;
4) восстающие наклонные — направленные вверх под острым углом к
вертикали;
5) восстающие вертикальные — направленные вверх по вертикали.
1.1.4 Классификация буровых скважин по целевому назначению
По целевому назначению буровые скважины классифицируют на три
основные категории: геологоразведочные, эксплуатационные и технические.
Первая категория — геологоразведочные скважины, проводимые для
изучения месторождений полезных ископаемых или с целью изучения
геологического строения определенного района. Геологоразведочные скважины
по целевому назначению подразделяются на следующие разновидности.
1) Картировочные скважины бурят при проведении геологической съемки
с целью обнажения коренных пород, по которым ведется геологическое
картирование, в районах, где эти породы скрыты слоем наносов.
2) Поисковые скважины бурят 6 целью определения наличия или
отсутствия в данном районе того или иного полезного ископаемого.
3) Разведочные скважины бурят с целью оконтуривания и определения
запасов полезного ископаемого на данном месторождении.
4) Гидрогеологические скважины бурят с целью изучения подземных вод,
условий их залегания, возможного дебита и химического состава.
5)
Артезианские
скважины
являются
разновиднестью
4
гидрогеологических скважин, пробуренных на напорные пластовые воды.
Артезианские скважины получили свое наименование от древнеримского
названия Артезия — провинция во Франции, которая теперь называется
провинцией Артуа. В 1126 г. в этой провинции была пробурена первая в Европе
буровая скважина на самоизливающуюся воду. Однако подобные скважины и
колодцы были известны еще в глубокой древности в Китае и Египте.
6) Инженерно-геологические скважины бурят для вскрытия верхних
горизонтов земной коры с целью составления геологического разреза,
испытаний физико-механических свойств грунтов в скважине и отбора
образцов грунтов с ненарушенной структурой для определения их свойств в
лабораторных условиях для нужд промышленного и гражданского
строительства.
7) Сейсмические скважины бурят при сейсмической разведке, для
проведения подземных взрывов, в результате которых с помощью
сейсмографов определяют глубину и углы падения пластов.
8) Параметрические скважины бурят с целью измерения параметров
геофизических свойств горных пород и температуры в условиях естественного
залегания пород и изучения глубинного строения возможных зон
нефтегазонакопления.
9) Структурные скважины бурят с целью изучения геологических
структур и элементов залегания (мощности, углов падения и простирания)
пластов пород, для контроля и уточнения данных геологической и
геофизической съемок.
10) Опорные скважины бурят в пределах площадей, геологическое
строение которых не освещено бурением для геологической съемки, поисков,
регионального изучения глубинного геологического строения, изучения
рудоносности или нефтегазоносности глубоких горизонтов.
Вторая категория — эксплуатационные скважины, проводимые для
извлечения из недр жидких (вода питьевая, минерализованная, нефть) и
газообразных
полезных
ископаемых.
Сюда
относятся
следующие
разновидности.
1) Водозаборные скважины для водоснабжения городов, промышленных
предприятий, курортов, сельского хозяйства, железнодорожного транспорта.
2) Нефтяные и газовые скважины для добычи нефти и газа.
3) Скважины подземной газификации угля для получения горючих газов
путем неполного сгорания угля непосредственно в массиве угольного
месторождения; получаемые газы используются как топливо или сырье в
химической промышленности.
4) Скважины для добычи рассолов, залегающих в коллекторах земной
коры и служащих для выщелачивания из них различных солей: брома, йода и
др.
5) Геотехнологические скважины, которые проходятся с целью
гидродинамического разрушения горных пород, содержащих полезные
ископаемые, или с целью нагнетания в скважину растворов кислот,
растворяющих минералы полезного ископаемого с последующим выносом его
5
на поверхность.
Третья категория — технические скважины, проводимые для различных
технических целей. Сюда относятся следующие разновидности.
1) Взрывные скважины предназначены для размещения в них зарядов
взрывчатого вещества с целью отделения полезного ископаемого или породы
от массива при производстве взрыва на открытых или подземных горных
работах. Шпурами называются взрывные скважины малых размеров:
диаметром от 30 до 60 мм и глубиной до 5 м.
2) Стволы шурфов и шахт, пройденные в горных породах бурением.
3) Скважины для замораживания грунтов, пробуриваемые по кольцу
вокруг ствола будущей шахты для замораживания водоносных пород перед
проходкой шахтного ствола и устранения тем самым затопления водой шахты
во время ее прохождения и возведения водоупорного крепления.
Замораживание водоносных пород при этом осуществляется путем спуска труб
в пробуренные скважины и циркуляции по этим трубам холодильных
растворов.
4) Скважины для укрепления грунтов при строительстве путем
нагнетания в трещиноватые породы цементного раствора, различных смол или
жидкого стекла.
5) Водопонизительные или дренажные скважины предназначены для
дренажа, т.е. метода осушения карьера, месторождения или участка под
строительство путем снижения уровня подземных вод.
6) Водоспускные скважины Для спуска воды из одного подземного
горизонта в другой при осушении горных выработок, а иногда нецелых
водоносных пластов.
7) Нагнетательные скважины служат для организации нагнетания воды,
воздуха или нефтяного газа в оконтуриваемую зону нефтяной залежи с целью
оказать давление на нефть и улучшить приток нефти в этой залежи к
эксплуатационной скважине.
8)
Наблюдательные
скважины
служат
для
осуществления
систематического контроля за изменением уровня воды в скважине или за
изменением давления жидкости или газа в процессе эксплуатации
нефюгазоносного пласта.
9) Внутрипластовые скважины, проводимые из подземных выработок по
пластам с целью их дегазации и обеспыливания угля при его выемке путем
нагнетания воды через внутрипластовые скважины в угольный пласт для его
увлажнения.
10) Вспомогательные скважины для вентиляции выработок, для
прокладки трубопровода с целью подачи сжатого воздуха от компрессора на
земной поверхности к пневмомашинам в горных выработках, для спуска
лесоматериалов, применяемых для крепления, для тушения подземных
пожаров.
Целевые назначения буровых скважин могут объединяться либо
изменяться во время производства буровых работ. Например, опорная
скважина может объединять целевые назначения поисковой, структурной и
6
параметрической скважин; поисковая или разведочная скважина на воду, нефть
или газ может стать эксплуатационной и т.п.
В соответствии с классификацией буровых скважин по целевому
назначению существуют три разновидности бурения скважин: 1) разведочное
бурение, 2) эксплуатационное бурение и 3) техническое бурение.
1.1.5 Применение, преимущества и недостатки геологоразведочного
бурения
Применение разведочного бурения. Все жидкие и газообразные полезные
ископаемые — подземные пресные и минеральные воды, нефть, природный газ
разведываются и эксплуатируются буровыми скважинами.
Угольные месторождения, месторождения железных, алюминиевых,
марганцевых руд и многие месторождения цветных металлов разведываются с
помощью буровых скважин почти без применения горных выработок.
Полиметаллические месторождения и руды редких и благородных металлов, а
также месторождения, залегающие в недрах в виде тел неправильной формы,
разведываются бурением в сочетании с разведочными горными выработками.
Разведочное бурение применяется также при геологической съемке, при
сейсморазведке для бурения взрывных скважин, при гидрогеологических и
инженерно-геологических исследованиях на площадях будущего строительства
для изучения условий залегания горных пород, их водоносности и физикомеханических свойств.
Преимущества разведочного бурения.
1) Возможность изучения земной коры на больших глубинах путем
подъема кернов (образцов пород) с последующим их исследованием и
составлением геологического разреза.
2) Возможность бурения скважин во всех породах при любом притоке
воды. Проведение же разведочных горных выработок не всегда возможно. Так,
например, проведение горных выработок (шурфов, шахт, штреков и др.)
затруднительно, если необходимо пересечь этими выработками водоносные
пласты с большим притоком. В таких случаях единственной горной выработкой
для разведочных целей остается буровая скважина.
3) Возможность полной герметизации, т.е. непроницаемости буровой
скважины и удобство эксплуатации жидких и газообразных полезных
ископаемых. Это преимущество обусловливает исключительную, если не
считать колодцев, применимость буровых скважин для разведки и добычи
воды, нефти и газа.
4) Высокая производительность бурения скважин по сравнению с
проходкой горно-разведочных выработок в тождественных условиях.
5) Экономичность, т.е. стоимость 1 м буровой скважины меньше
стоимости 1 м горной выработки, что объясняется малым сечением буровых
скважин и большой производительностью бурения.
Недостатки буровых скважин.
1) Невозможность непосредственного наблюдения стенок скважины, т.е.
искусственных обнажений, получаемых в результате бурения, по причине
7
малого диаметра скважин. Геологический разрез составляется по извлеченным
из скважины образцам пород. Для устранения этого недостатка применяют
фотографирование стенок скважины.
2) Неполное извлечение образцов пород по причине их истирания и
размыва в скважине. Следствием этого является искажение составленного
геологического разреза. Для устранения этого недостатка извлекают образцы со
стенок скважины и применяют геофизические методы исследования скважин.
3) Малый объем образцов твердого полезного ископаемого по сравнению
с объемом, полученным при проходке горных выработок. Однако этот
недостаток невелик, так как необходимые исследования могут быть выполнены
на образцах малого объема.
4) Искривление скважин, т.е. отклонение скважины от заданного
прямолинейного направления, искажает представление о глубинах залегания
пластов, их мощности и расположении в недрах. Для устранения этого
недостатка применяют приборы для измерения искривления скважин, что дает
возможность установить действительное расположение скважин в недрах.
1.1.6 Классификация способов бурения скважин
По принципам разрушения горной породы бурение скважин может
осуществляться следующими способами, принципиально отличающимися по
своей физической природе.
1) Механическое бурение, или бурение скважин породоразру-шающими
инструментами, при котором разрушение горной породы осуществляется
механическим воздействием породораз-рушающего инструмента на породу
забоя.
Достоинства механического бурения: 1) возможность отбора
натуральных образцов пород для составления геологического разреза и для их
всестороннего изучения; 2) благоприятные условия для вскрытия и
исследования водоносных и нефтегазоносных горизонтов; 3) возможность
бурить скважины в заданном направлении.
В связи с указанными достоинствами механическое бурение
породоразрушающими инструментами получило повсеместное практическое
применение.
Недостатки механического бурения: 1) износ рабочих элементов
породоразрушающих инструментов, приводящий к необходимости его замены;
этот недостаток привел к поиску других физических «бездолотных» способов
разрушения горных пород при бурении; 2) низкий коэффициент использования
энергии, уменьшающийся с увеличением глубины скважины, если двигатель
расположен на поверхности земли; этот недостаток привел, к созданию
забойных двигателей (турбобуров, электробуров), у которых двигатель
установлен в скважине над породоразрушающим инструментом.
Механическое бурение породоразрушающими инструментами имеет
много разновидностей. Их появление и развитие обусловлены теми задачами,
которые ставились перед бурением скважин в данных геолого-технических
условиях.
8
2) Гидродинамическое бурение, при котором разрушение горной породы
осуществляется высоконапорной струей жидкости путем разрушения или
растворения породы забоя. Известны две разновидности гидродинамического
бурения:
а) струя полностью разрушает забой и формирует ствол скважины. При
этом для разрушения пород давление струи должно быть от 20 до 200 МПа в
зависимости от крепости породы. Способность струи разрушать породу
возрастает при эрозионном гидромониторном бурении, когда в водяную струю
вводят абразивный материал (стальную дробь, кварцевый песок) в
концентрации от 5 до 15% по объему;
б) водяная струя частично разрушает и размягчает породу забоя, ствол
скважины формируется долотом, имеющим гидромониторные насадки,
увеличивающие скорость вылета струи. Эта разновидность получила
практическое применение при бескерновом бурении гидромониторными
долотами в мягких и рыхлых породах.
3) Термическое, огневое или огнеструйное бурение, при котором
разрушение горной породы происходит путем высокотемпературного
теплового воздействия на породу. Высокая температура (около 2300 С)
создается при сгорании струи керосина в струе кислорода, вылетающих, из
сопел огнеструйной горелки, опускаемой в скважину на трубах. Горелка
охлаждается водой.
Свободному расширению нагретых участков породы забоя препятствует
противодействие ненагретых ее участков. Поэтому в породе возникают
термические напряжения, вызывающие отслаивание от массива чешуек
породы, которые выносятся отработанными газами и паром из зоны действия
горелки вверх. Отсос из скважины газов и пара осуществляется вентилятором.
Огневое бурение применяют для бурения взрывных скважин. Станки для
огневого бурения проходят скважины диаметром от 160 до 250 мм на глубину
от 8 до 50 м. Производительность огневого бурения в кварцитах около 30
м/смену вместо 3—3,5 м/смену станками ударно-канатного бурения. При
геологоразведочных работах термическое бурение не применяют.
4) Термомеханическое бурение предусматривает ослабление прочности
пород путем местного нагрева с последующим разрушением их обычным
инструментом вращательного бурения.
5) Электротермическое бурение применяется в условиях Антарктиды для
расплавления льда электронагревателями. Электротермобур приспособлен для
бурения скважины во льду глубиной до 1000 м диаметром до 300 мм с
получением выхода керна льда до 100%. Мощность нагревателя до 8 кВт.
Снаряд имеет насос для откачки воды, образующейся при расплавлении льда.
6) Взрывное бурение разработано А.П. Островским. При взрывном
бурении разрушение горной породы забоя осуществляется под действием
направленного взрыва. При ампульном взрывном бурении ампулы из
пластмассы, заполненные компонентами взрывчатого вещества, через равные
промежутки времени подаются к забою по трубам в потоке нагнетаемой
промывочной жидкости. При ударе о забой срабатывает взрыватель и ампула
9
взрывается. Разрушенная в результате взрыва порода выносится струей
промывочной жидкости с забоя на поверхность. Взрывным бурением
пробурена скважина глубиной до 2800 м в осадочных породах с подачей
зарядов 300 шт/ч. Вследствие гидростатического давления, создаваемого
столбом жидкости на забой скважины, эффективность единичного взрыва
уменьшается с глубиной. Взрывное бурение еще находится в стадии
экспериментов и широкого практического применения не получило.
7) Электрофизические способы бурения объединяют группу методов, в
основе которых лежит применение электрического тока для прямого
разрушения горных пород. Сюда относятся:
а) электрогидравлический эффект, открытый, Л. А. Юткиным, —
явление, заключающееся в создании импульсного высоковольтного разряда
(искры) в воде; электрическая искра имеет определенный объем; она возникает
мгновенно и с большой силой раздвигает жидкость, вызывая гидравлический
удар, который разрушает породу;
б) электроимпульсный метод, разработанный проф. А.А. Воробьевым.
При этом методе скважина заполняется жидкостью (например,
трансформаторным маслом), электрическое сопротивление которой превышает
электрическое сопротивление породы. К забою плотно прижимают два
электрода и подают ток высокого напряжения. Ток проходит через породу.
Электрический пробой сопровождается эффективным разрушением породы.
Рисунок 1.2 – Классификация различных способов бурения скважин
10
Были предложены и другие физические способы разрушения горных
пород для бурения скважин (ультразвуковой, плазменный, лазерный), но все
эти способы не вышли из стадии экспериментов. Классификация различных
способов бурения скважин приведена на рисунке 1.2.
1.2 Буровая установка и производственный цикл бурения разведочной
скважины
Буровой установкой называется комплекс, состоящий из буровой вышки
(или мачты), бурового и энергетического оборудования, необходимых при
бурении скважин. В зависимости от способа бурения буровые установки
подразделяются на вращательные, ударные, вибрационные и др. В зависимости
от транспортных средств подразделяются на стационарные, передвижные,
самоходные и переносные.
Производственный цикл есть совокупность рабочих процессов, идущих в
определенном порядке в соответствии с правильно установленным
технологическим процессом данного вида работ.
Производственный цикл бурения разведочной скважины состоит из
совокупности следующих рабочих процессов:
1) Транспортирование буровой установки на новую точку бурения.
2) Монтаж буровой установки.
3) Собственно бурение (проходка ствола скважины) состоит из
следующих рабочих операций.
Рабочая операция представляет собой самостоятельную однородную с
технологической точки зрения часть рабочего процесса:
а) чистое бурение, т.е. непосредственное разрушение горной породы
породоразрушающим инструментом на забое скважины;
б) очистка забоя от разрушенной породы и транспортирование ее от забоя
до устья скважины. При бурении с промывкой или продувкой, а также при
бурении шнеками эта операция совмещается с основной операцией — чистым
бурением;
в)
спуско-подъемные
операции,
производимые
для
замены
износившегося породоразрушающего инструмента и для подъема образцов
пород (кернов).
4) Крепление скважины в породах неустойчивых, т.е. неспособных
удержать стенки скважины от обрушения (трещиноватые, слабосвязанные,
рыхлые, сыпучие породы и плывуны), производится двумя способами:
а) крепление спуском в скважину обсадных колонн, что требует
остановки операции — чистого бурения;
б) крепление скважины промывочными жидкостями, закрепляющими
стенки скважины, производимое одновременно с операцией бурения. При
бурении в крепких устойчивых породах крепление стенок скважины не
требуется.
5) Испытания и исследования в скважине (измерение искривления,
каротаж и др.).
11
6) Тампонирование скважин с целью разобщения и изоляции водоносных
пластов с разным химическим составом вод или с целью изоляции водоносного
пласта от нефтегазоносного.
7) Установки фильтра и водоподъемника в гидрогеологической скважине
и производство гидрогеологических исследований (замер уровня жидкости в
скважине, отбор проб воды для химанализа, определение дебита скважины с
помощью пробных откачек).
8) Предупреждение и ликвидация аварий в скважине.
9) Извлечение обсадных труб и ликвидация скважины (ликвидационный
тампонаж).
10) Разборка буровой установки и перенос ее на новую точку.
Перечисленные рабочие операции цикла бурения разведочной скважины
являются последовательными, т.е. могут выполняться последовательно одной и
той же бригадой рабочих.
При необходимости бурения нескольких скважин и при наличии
резервных буровых установок с целью ускорения разведочных работ некоторые
рабочие операции могут быть параллельными, т.е. выполняться двумя или
несколькими бригадами рабочих. Так, например, буровая бригада выполняет
рабочие процессы собственно бурения и крепления скважины; монтажные
бригады занимаются только транспортированием, монтажом, демонтажем
буровых установок, ликвидационным тампонажем скважин; каротажная
бригада занимается только каротажем и т.п.
1.3 Физико-механические свойства горных пород
1.3.1 Понятие о физико-механических свойствах горных пород и их
влиянии на процесс бурения
Горными породами называются природные минеральные образования,
слагающие земную кору и состоящие из разнородных или однородных
породообразующих минералов, связанных между собой силами молекулярного
взаимодействия цементирующим веществом или несвязанных.
По происхождению все горные породы делятся на: магматические или
изверженные (глубинные и излившиеся); осадочные (механические осадки или
обломочные
породы,
химические
осадки,
органогенные
осадки);
метаморфические — образовавшиеся из магматических и осадочных пород на
больших глубинах под действием очень больших давлений и температур.
Разнообразные свойства горных пород зависят от происхождения и от
геологических процессов, происходящих после их образования за длительный
период времени их существования.
Физико-механические свойства горных пород объединяют физические и
механические свойства, влияющие на процесс их разрушения.
Физические свойства горных пород характеризуют их физическое
состояние. Из большого разнообразия физических свойств пород мы
рассмотрим те, которые непосредственно или косвенно влияют на процесс
бурения. Сюда относятся: степень связности, пористость, плотность, удельный
12
вес, структура, текстура, зернистость.
Механические свойства горных пород являются разновидностью
физических свойств. Они проявляются под действием внешних механических
сил и выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление
деформированию и разрушению. Сюда относятся: прочность, крепость,
динамическая прочность, твердость, упругость, хрупкость, пластичность,
абразивность и др.
Исследование и изучение физико-механических свойств горных пород
необходимы:
1) для выбора способа бурения и наиболее производительных типов
породоразрушающих инструментов;
2) для разработки рациональной технологии бурения и крепления стенок
скважины;
3) для расширения геологической изученности района работ. Особое
внимание уделяют исследованию физико-механических свойств керна из
опорных скважин, так как результаты этого изучения используют при
составлении проекта бурения новых скважин в том же районе.
1.4 Классификация горных пород по степени связности
По степени связности горные породы разделяются на четыре основные
группы: скальные, связные, рыхлые (сыпучие) и плывучие.
Скальные породы характеризуются различной, обычно высокой
твердостью, обусловленной наличием между минеральными частицами
молекулярных сил сцепления, которые после разрушения породы не
восстанавливаются ни при высоком давлении, ни при увлажнении.
Скальные породы по содержанию кварца разделяются на содержащие
кварц и бескварцевые. Скальные породы, содержащие кварц, характеризуются
большей твердостью и абразивностью. Поэтому они труднее бурятся.
Скальные породы бывают монолитные (без трещин) и трещиноватые.
Стенки скважин, пройденных в монолитных скальных породах, устойчивы и
крепления не требуют, а пройденных в сильнотрещиноватых породах, должны
быть закреплены.
Связные породы (глины, суглинки, мел, бокситы) состоят из глинистых
минералов или частиц обломочных пород, связанных преимущественно
глинистыми минералами. Они отличаются следующими признаками:
а) во влажном состоянии дают большие остаточные деформации без
нарушения связности;
б) в зависимости от степени влажности силы сцепления между частицами
этих пород по величине могут сильно изменяться;
в) после нарушения связности силы сцепления могут восстанавливаться
путем увлажнения и применения высокого давления;
г) некоторые связные породы (глинистые породы, мел) способны
набухать, т.е. увеличиваться в объеме при увлажнении, выпучиваться из стенок
скважины и оползать.
13
Рыхлые (сыпучие) породы состоят из скопления не связанных между
собой частиц различной формы и размеров (пески, гравий, галька, валуны и
т.п.). Бурение в подобных породах производится с одновременным
закреплением стенок скважины, так как стенки неустойчивы и склонны к
обвалам и оползням.
Плывучие породы, или плывуны, состоят из водонасыщенных песчаноглинистых пород (мелкозернистого песка, супеси, реже— суглинка).
Отличительной особенностью плывунов является способность перемещаться
(расплываться). Эти свойства плывуна возрастают при наличии в песке
мельчайших глинистых частиц. Плывучие породы, находясь под напором,
создаваемым весом вышележащих пород, способны подниматься по стволу
скважины. Поэтому плывучие породы требуют закрепления стенок скважины.
1.4.1 Пористость пород
Пористостью породы называется суммарный объем пустот (пор, каверн,
микротрещин), содержащейся в горной породе и выраженный в долях единицы
или в процентах от общего объема породы.
Коэффициентом пористости kп называется отношение объема пор Vпор к
объему твердого минерального скелета Vс; в данном объеме V породы,
состоящего из скелета и пор
kп = Vпор / Vс.
Пористость породы П (общая), выраженная в процентах от общего
объема V породы, равна
V ïîð
П=
V ïîð 100 %
V
=
Vïîð 100 %
Vñ  Vïîð
=
Vñ
1
100 %
V ïîð

kï
100 %
1 kï
(1.1)
Vc
Пористость ослабляет прочность пород. Высокой пористостью обладают
осадочные породы (пески 55%, известняки 0—45%). Пористость пород
уменьшается с увеличением глубины их залегания.
1.4.2 Плотность и объемная плотность пород
Плотностью однородного тела р называется отношение массы m (т.е.
количества вещества) тела к его объему V
ρ=m/V
(1.2)
Масса единицы объема горной породы в ее естественном состоянии
отличается от массы той же единицы объема, занимаемого твердым
минеральным скелетом (т.е. твердой фазой) породы. Такое отличие
обусловлено пористостью пород и возможным заполнением этих пор
жидкостью или газом. Поэтому следует различать: плотность скелета породы ρс
и объемную плотность породы ρоб.
Плотностью скелета породы ρс или сокращенно плотностью породы
14
называется отношение массы mс твердого минерального скелета породы (т.е.
твердой фазы) к объему Vс этого твердого минерального скелета без пор
ρоб = mс / Vс
(1.3)
Объемной плотностью породы ро;, называется отношение массы т
породы в ее естественном состоянии к объему V взятой породы с порами
ρоб = m/V =
m
V ñ  V ïîð
(1.4)
Плотность однородного тела р и плотность скелета породы рд являются
параметрами вещества. Единицей плотности в международной системе единиц
(СИ) является 1 кг/м3, в технической системе единиц МК.ГСС—1 г/см3.
1.4.3 Удельный вес и объемный вес пород
Удельным весом тела γ называется вес единицы объема тела, т.е.
отношение веса тела G (силы тяжести) к его объему V,
γ=G/V
(1.5)
В международной системе единиц (СИ) удельный вес выражают в
ньютонах на кубический метр (Н/м3). В технической системе единиц МКГСС
удельный вес выражают в кгс/м3.
Удельным весом породы γс называется вес единицы объема твердого
минерального скелета породы.
Объемным весом породы γоб называется вес единицы объема породы в
естественном состоянии с учетом находящихся в ней пор
γоб = γс(1—П)
(1.6)
где П — пористость породы в долях единицы (см. формулу 1).
Величину удельного веса и объемного веса тел (твердых, жидких) и
пород применяют при рассмотрении силового воздействия. Так, например,
объемный вес пород применяют при вычислении горного давления, удельный
вес жидкости, заполняющей скважину, применяют при определении давления
столба жидкости на забой и стенки скважины и т.п.
1.4.4 Структура горных пород
Физико-механические свойства горных пород зависят от их структуры и
текстуры.
Структурой горных пород называется внутреннее строение породы, т. е.
совокупность признаков, определяемых: 1) формой, 2) размерами зерен и 3)
взаимным соотношением породообразующих минералов и вулканического
стекла магматических пород, либо цемента осадочных пород. Структура
15
горных пород зависит от условий их образования. Главнейшими структурами
являются: 1) полнокристаллическая или зернистая (гранит); 2) порфировая или
неравномернозернистая (порфирит); 3) стекловатая; 4) обломочная (песчаник).
Зернистость является одним из признаков структуры пород и
определяется размером зерен. Для магматических пород характерны
следующие зернистые структуры: грубозернистая с размером зерен более 10
мм; крупнозернистая от 10 до 5 мм: среднезернистая от 5 до 2 мм;
мелкозернистая от 2 до 0,25 мм; микрозернистая от 0,25 мм и меньше, причем
зерна различимы лишь в лупу и под микроскопом. При одном и том же
минеральном составе мелкозернистые породы прочнее крупнозернистых.
1.4.5 Текстура горных пород
Текстурой (по латыни textura — ткань, сплетение), или сложением
горных пород называется совокупность признаков, определяемых
пространственным расположением составных частей породы и их
ориентировкой. Главнейшими текстурами пород являются следующие.
Массивная текстура, характерная для магматических пород, когда
минералы в породе расположены без всякого порядка.
Слоистая текстура, характерная для осадочных пород, когда вследствие
изменения условий осадконакопления образуются поверхности осаждения,
оконтуривающие слои.
Сланцевая текстура, характерная для метаморфических пород.
При первичной сланцеватости плоские поверхности минералов
совпадают с направлением основной слоистости пород. При вторичной
сланцеватости, называемой кливажем (от английского сlavagе— раскол),
вследствие бокового давления порода раскалывается на пластинки, не
совпадающие с направлением первичной сланцеватости.
Анизотропностью или неравносвойственностью горных пород называется
особенность текстуры, выражающаяся в зависимости физико-механических
свойств пород от выбранного направления, что объясняется ориентированным
расположением минералов и слоистостью породы.
Анизотропия горных пород является следствием условий их образования
и проявляется в осадочных и метаморфических породах.
Коэффициент анизотропии kан свойств горных пород равен
kан = Х|| / Х┴
(1.7)
где Х|| — показатель свойств пород вдоль слоистости либо сланцеватости;
Х┴ — показатель тех же свойств перпендикулярно к слоистости либо
сланцеватости.
Так, максимальная твердость сланцевой горной породы наблюдается
параллельно слоям, а минимальная перпендикулярно к слоям.
1.4.6 Прочность горных пород
Прочностью называется свойство
твердого
тела
сопротивляться
16
внешней
разрушению под действием
нагрузки — статической или
динамической.
Пределом прочности или разрушающим напряжением σ горной породы
называется величина напряжения, при котором порода разрушается при данном
виде деформации (сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге).
Относительная прочность пород к различным видам деформации
различна (таблица 1.1).
Таблица 1.1 – Относительная прочность пород к различным видам деформации
Горные породы
Граниты
Песчаники
Известняки
Относительная прочность пород при деформации
сжатие
сдвиг,
растяжение
изгиб
одноосное
скалывание
1
0,02—0,04
0,08
0,09
1
0,02—0,05
0,06—0,2
0,1 – 0,12
1
0,04—0,10
0,08—0,1
0,15
Наибольшее сопротивление породы оказывают сжатию. Предел
прочности на скалывание у большинства пород составляет около 10% от
предела прочности на сжатие. Поэтому желательно, чтобы при бурении
породоразрушающий инструмент производил в основном скалывание породы.
Предел прочности на сжатие пород зависит от их минералопетрографической характеристики, степени выветривания и изменяется от 1 до
50000 Н/см2.
Прочность на одноосное сжатие определяют на гидравлическом прессе.
В момент раздавливания образца регистрируют давление ρmах. Сила Рmах
раздавливающая образец, равна
Рmах = ρmахS, Н
(1.8)
где S — площадь поршня пресса, см2.
Предел прочности на сжатие σсж испытуемого образца вычисляют по
формуле
σсж = Рmах / F, Н/СМ2,
(1.9)
где F — площадь поперечного сечения образца перед испытанием, см2.
Предел прочности на сжатие испытуемой породы σсж определяют как
среднее арифметическое из ряда испытаний:
σсж =
 ñæ 1   ñæ 2  ...   ñæn
n
(1.10)
где σсж1, σсж2,… σсжn — пределы прочности на сжатие испытанных
образцов;
17
n — число испытанных образцов n = 3 для однородных пород и n = 6 для
неоднородных пород).
1.4.7 Крепость и коэффициент крепости горной породы
Понятия о крепости пород и о коэффициенте крепости горной породы
предложены проф. М.М. Протодьяконовым (старшим) в 1926 г. и получили
широкое распространение в горном деле.
Крепостью горной породы называется сопротивляемость ее внешним
усилиям, состоящим из комбинации элементарных сопротивлений сжатию,
растяжению, сдвигу, причем характер этой комбинации зависит от способа
разрушения породы.
Отличие прочности от крепости состоит в том, что прочность породы
определяют при определенном виде деформации (одноосном сжатии,
растяжении, сдвиге), а крепость породы характеризует сопротивляемость
породы разрушению под действием комбинации нескольких видов
деформации.
Коэффициентом крепости f горной породы называется величина,
приближенно характеризующая относительную сопротивляемость породы
разрушению.
Так как горные породы наибольшее сопротивление оказывают сжатию, то
за коэффициент крепости f: горной породы проф. М.М. Протодьяконов принял
одну сотую предела прочности породы одноосному сжатию, т.е.
f = σсж / 100
(1.11)
где σсж — предел прочности на сжатие, Н/см2;
100 – предел прочности одноосному сжатию породы, для которой f=1.
Следовательно, коэффициентом крепости f горной породы называется
безразмерная величина, указывающая, во сколько раз данная порода крепче
другой породы, крепость которой принята за единицу. Глина плотная имеет
коэффициент крепости f = 1. Поэтому величина коэффициента крепости f
горной породы показывает, во сколько раз данная порода крепче плотной
глины.
Коэффициент крепости f горной породы используется для сравнительной
оценки крепости – горных пород, сопротивляемости разрушению и для
характеристики их устойчивости.
1.4.8 Динамическая прочность горных пород
Динамической прочностью Fд характеризуются такие горные породы,
которые при ударе способны дробиться на куски.
Определение динамической прочности горной породы производят
методом толчения породы с помощью прибора ПОК * (рисунок 3). Этот метод
был разработан К.И. Сысковым, проф. М.М. Протодьяконовым (младшим),
Н.И. Любимовым и состоит в следующем.
18
а—трубчатая ступа: 1 — загрузочный стакан; 2 — направляющая труба; 3 —
шплинт удерживающий; 4 — гиря; 5 — упор; 6 — шнур; 7 — рукоятка; б —
объемомер; 1 — стакан; 2 — поршень со шкалой; 3 — дно
Рисунок 1.3 – Прибор ПОК* для определения динамической прочности горных
пород (* ПОК — П — прибор, О — определение, К — крепость.)
Образец горной породы раздробляют молотком на куски крупностью
1,5—2,0 см в поперечнике. Из кусков набирают пять проб объемом 15—20 см3
каждая. Каждую пробу в отдельности высыпают в трубчатую ступу (рисунок 3,
а) и толкут путем сбрасывания гири массой 2,4 кг с высоты 0,6 м десять раз.
Все пять проб толченой породы ссыпают в металлическое сито с отверстиями
0,5 мм и совместно просеивают. Частицы породы от всех пяти проб,
прошедшие через сито (крупностью менее 0,5 мм), высыпают в стакан 1
объемомера (рисунок 3, б). Частицы уплотняют слегка, постукивая стакан по
столу. Затем в стакан объемомера вставляют до упора поршень 2. по
имеющейся на поршне шкале (от 0 до 160 мм внизу) делают отсчет высоты
столбика частиц породы в стакане. Величину динамической прочности Fд
породы вычисляют по эмпирической формуле
Fд = 20n/l
(1.12)
где 20 – эмпирический коэффициент пропорциональности;
n – число ударов гири по кускам породы в ступе (n = 10);
l – столбика частиц породы в объемомере, мм.
Таким образом, динамическая прочность Fд горной породы есть
безразмерная величина, обратно пропорциональная высоте столбика
просеянной породы в объемомере. По величине динамической прочности
породы делят на шесть групп (таблица 1.2).
Таблица 1.2 – Показатели по группам породы
19
Номер группы по породам
II
III
IV
V
8─16
16─24
24─32 32─40
I
Динамическая 8 и менее
прочность Fд
Степень
Малая
Умеренная Средняя
динамической прочность прочность прочность
прочности
породы
Прочные
Показатели
VI
40 и
более
Очень
Весьма
прочные прочные
1.4.9 Объемно-напряженное состояние породы при вдавливании пуансона
Механические свойства горных пород (твердость, упругость,
пластичность) определяют методом вдавливания пуансона, разработанного
проф. Л.А. Шрейнером и утвержденного ГОСТом 12288 – 66.
Пуансоном, или штампом, называется цилиндрический стержень с
круглым плоским опорным основанием, изготовленный из высокопрочного
материала (стали, твердого сплава), который под нагрузкой вдавливают в
поверхность испытуемой породы с целью определения ее механических
свойств. Применяют пуансоны с площадью S опорного основания от 2 до 5 мм2
и выше.
Характерная особенность метода вдавливания пуансона состоит в том,
что порода под пуансоном находится в условиях объемно-напряженного
состояния всестороннего сжатия, возникающего естественным путем
вследствие противодействия окружающей массы породы.
Следствиями объемно-напряженного состояния породы при вдавливании
пуансона являются следующие:
1) увеличение прочности породы под пуансоном;
2) большинство горных пород, хрупкие при одноосном сжатии, при
вдавливании пуансона проявляют упругие свойства;
3) многие горные породы в объемно-напряженном состоянии
приобретают пластические свойства.
Образцы для испытаний методом вдавливания пуансона изготовляют из
кернов горных пород. Удобно пользоваться образцами диаметром от 30 до 90
миллиметров и высотой от 30 до 50 мм. Образцы должны иметь две взаимно
параллельные шлифованные поверхности.
1.4.10 Твердость горных пород
Твердостью горной породы называется сопротивление породы в
поверхностном слое вдавливанию в нее другого, более твердого тела
(индентора). Поэтому твердость — местная прочность на вдавливание.
Твердость горной породы — это агрегатная (смешанная, средняя)
твердость, зависящая от твердости и состава минеральных зерен, твердости и
количества цементирующего вещества, пористости породы, направления
действия вдавливающей силы по отношению к слоям породы, степени
20
горного давления,
влажности, температуры,
обусловленного весом
вышележащих толщ пород.
Твердость горных пород — главный вид прочности, который при
вращательном бурении преодолевает породоразрушающий инструмент при
внедрении его в породу. Вслед за внедрением или одновременно с ним
происходит скалывание породы. Внедрить инструмент в породу труднее;
сколоть породу после внедрения легче. Поэтому твердость при бурении и
является главным видом прочности.
1 — манометры образцовые; 2 — стрелочный индикатор; 3 – траверса
гидравлического пресса; 4 — колонка; 5 — оправа индикатора; 6 — упор; 7 —
пуансон; 8 — образец породы; 9 — стол поршня гидравлического пресса; 10 —
манжета; 11 — цилиндр гидравлического пресса; 12—стержень направляющий;
13 — манометр технический; 14 — компенсатор давления; 15 —
регулировочный кран; 16 – спускной кран; 17 — запорный кран
Рисунок 1.4 – Схема установки для определения механических свойств горных
пород вдавливанием пуансона
Цена одного деления шкалы манометра, выраженная в единицах
давления, равна
q=
Q
300
Цена одного деления шкалы манометра, выраженная в единицах силы,
равна
ро = qоF, Н/см2
где F = 26,4 см2 — площадь нижнего торца поршня 9 (рисунок 1.4)
гидравлического пресса.
Нагрузка, т.е. сила сжатия Р, развиваемая гидравлическим прессом, равна
Р = роn, Н
(1.13)
21
где ро — цена одного деления шкалы манометра, Н;
n — числ делении, отсчитанное по шкале образцового манометра 1
Нагрузка Рmах – развиваемая гидравлическим прессом в момент полного
хрупкого разрушения породы под пуансоном, равна
Рmах = р0 nmах, Н
(1.14)
где nmах — число делений, отсчитанное по шкале манометра в момент
хрупкого разрушения породы под пуансоном.
Твердостью горной породы рш по методу вдавливания пуансона (штампа)
называется предел прочности породы на вдавливание, равный
рш =
Pmax
, Н/мм2,
S
(1.15)
где Рmах — нагрузка в момент разрушения породы под пуансоном, Н,
S — площадь опорного основания пуансона, мм2.
Твердость породы ρш, характеризуемая величиной предела прочности на
вдавливание, выше величины предела прочности породы одноосному сжатию
σсж. Так, например, гранит с коэффициентом крепости по М.М.
Протодъяконову f = 18 имеет предел прочности на сжатие σсж = 18 000 Н/см2 и
твердость рш = 6000 Н/мм2.
Увеличение предела прочности породы при вдавливании объясняется
тем, что порода под пуансоном находится в условиях объемно-напряженного
состояния всестороннего сжатия.
1.4.11 Деформационные свойства горных пород
Деформационными свойствами горных пород называются свойства пород
различными способами изменять свою форму под действием нагрузки.
Главными деформационными свойствами пород являются упругость и
пластичность.
Упругость и пластичность горных пород могут быть изучены методом
вдавливания пуансона в обработанную поверхность образца на гидравлическом
прессе, который применяют для измерения твердости. Установка дополняется
тем, что на упоре 6 (рисунок 1.4) с помощью оправы 5 закрепляют стрелочный
индикатор 2 для снятия диаграммы деформации породы при вдавливании
пуансона.
При соприкосновении пуансона 7 (рисунок 1.4) с упором 6 наконечник
мерительного стержня индикатора 2 должен опираться на поверхность керна 5.
В начале опыта перед вдавливанием пуансона в образец породы стрелку
индикатора ставят на нуль шкалы путем поворота подвижного циферблата.
Включают насос. Под давлением жидкости стол 9 (рисунок 4) с образцом 8
поднимается вверх, пуансон 7, опирающийся на упор 6, вдавливается в образец
22
5, мерительный стержень 2 перемещает стрелку индикатора. Нагрузку на
штамп, определенную по формуле (3), увеличивают до момента хрупкого
разрушения породы под штампом и для определенных значений нагрузки
записывают деформацию б в долях миллиметра или в микрометрах,
измеренную стрелочным индикатором. По результатам опыта строят график
деформации (рисунок 1.5).
а — для упруго-хрупких пород (кварцит); б — для упруго-пластичных пород
(мрамор); в — для высокопластичных пород (каменная соль)
Рисунок 1.5 – График деформации при вдавливании пуансона
а — для упруго-хрупких пород; б — для упруго-пластичных пород; в—для
высокопластичных и сильнопористых пород; δ — наибольшая деформация
породы; h — глубина лунки разрушения
Рисунок 1.6 – Зоны контакта и лунки разрушения при вдавливании пуансона
Высокопластичные (глина, каменная соль) и сильнопористые породы
(пемза, пористый известняк) отличаются от двух предыдущих классов тем, что
при вдавливании пуансона конусная лунка разрушения вокруг пуансона не
образуется и хрупкого разрушения породы под пуансоном не происходит.
Поэтому для пород третьего класса определить твердость по формуле (1.5)
нельзя. Глубина h вдавливания пуансона равна глубине δ деформации (рисунок
2, в и 3, в) вначале упругой, затем деформации закрытия пор и пластической.
Поэтому h: δ = 1.
23
1.4.12 Упругость, жесткость и хрупкость горных пород
Упругостью горных пород называется свойство горных пород изменять
свою форму и объем под действием внешних сил (нагрузок) и полностью
восстанавливать первоначальную форму и объем после устранения нагрузки. В
твердом теле это свойство проявляется в виде упругих деформаций, величина
которых не зависит от продолжительности нагружения и которые исчезают
после снятия нагрузки и потому называются обратимыми деформациями.
Упругие свойства твердых тел принято характеризовать модулем продольной
упругости и коэффициентом Пуассона.
Модулем продольной упругости Е, или модулем Юнга, называется
отношение нормального напряжения σ к соответствующей относительной
продольной деформации ε при одноосном растяжении или сжатии.
Е=


=
, Н/см2
l

l
(1.16)
где σ – нормальное напряжение при растяжении или сжатии, Н/см2;
ε – относительная продольная деформация, т.е. относительное
удлинение или укорочение (безразмерная величина);
l – первоначальная длина твердого тела в виде призматического бруса,
имеющего постоянную площадь поперечного сечения;
Δl – абсолютное удлинение при растяжении или абсолютное
укорочение при сжатии.
Модуль продольной упругости Е, или модуль Юнга, характеризует
сопротивляемость материала твердого тела упругой деформации при
растяжении или сжатии.
Коэффициентом поперечной деформации или коэффициентом Пуансона
μ называется отношение относительной поперечной деформации ε1 к
относительной продольной деформации ε при растяжении или сжатии.
При растяжении коэффициент Пуансона представляет отношение
μ=
 1 поперечноеотноси тельноесжат ие

 продольноеотносительноеудлине ние
(1.17)
а при сжатии
μ=
 1 поперечноеотносительное растяжение


продольноеотносительноесжатие
При вдавливании пуансона в упруго-хрупкую породу первого класса в
породе под пуансоном развиваются упругие деформации. Их рост с
увеличением нагрузки выражается прямолинейным графиком деформации ОА
(рисунок 1.5, а). Это свойство упругости горных пород выражается законом
Гука: величина деформации твердого тела прямо пропорциональна нагрузке и
проявляется прямолинейностью графика деформации. В точке А происходит
хрупкое разрушение породы под пуансоном.
24
Рисунок 1.7 – График деформации О А' и О А" при вдавливании пуансона в два
образца упруго-хрупких пород равной твердости, но имеющих разную
жесткость; α1 и α2 — деформационные углы
Деформационным углом α (рисунок 2, а) называется угол АОР между
прямолинейным графиком ОА упругой деформации и горизонтальной осью
диаграммы деформации Оδ.
На рисунке 4 изображены два графика упругой деформации ОА' и ОА"
двух образцов пород равной твердости, но с разными деформационными
углами α1 и α2. Следовательно, два образца пород при равной твердости могут
иметь различные упругие свойства, определяемые жесткостью породы.
Жесткостью горной породы G называется отношение нагрузки Р,
действующей на пуансон при его вдавливании, к деформации δ породы,
нагрузкой (рисунок 2, а)
G=
P


Pmax
 óï

AF
 tg
OF
(1.18)
где α—деформационный угол.
Работа упругой деформации Луп при вдавливании пуансона в породу на
диаграмме деформации (рисунок 1.2, а) измеряется площадью прямоугольного
треугольника ОАР, образованного отрезком ОА графика упругих деформаций,
отрезком горизонтальной оси ОР и перпендикуляром АР на эту ось.
Работа упругой деформации Ауп затрачивается в основном на
деформацию сжатия породы и частично на деформацию сжатия пуансона.
Поэтому на деформацию сжатия самой породы затрачивается работа (Ауп – Аш),
где Аш — работа, затрачиваемая на упругую деформацию сжатия пуансона
Аш =
1
Ðl Нмм,
2
(1.19)
где Р — наибольшая нагрузка, действующая на пуансон, Н;
Δl — абсолютное укорочение пуансона, определяемое по закону Гука, мм.
Хрупкостью горной породы называется свойство пород разрушаться без
заметной пластической деформации под воздействием внешних сил.
25
Коэффициентом хрупкости Кхр называется отношение работы Ауп
упругой деформации породы к общей работе Аоб, затрачиваемой на
деформацию и разрушение пород под пуансоном,
Кхр =
Ауп
Аоб

ОАF  Aш
ОАВС  Аш
(1.20)
где Ауп – работа упругих деформаций породы, измеряемая площадью
треугольника ОАF (рисунок 5, б), за вычетом работы Аш упругой деформации
Пуансона Н·мм;
Аоб – общая работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение
пород, измеряемая площадью ОАВС, за вычетом работы Аш упругой
деформации Пуансона, определяемой по формуле (19), Н·мм.
1.4.13 Определение абразивности шлама пород по способу износа
свинцовых шариков
Этот способ разработан Н.И. Любимовым и соответствует условиям
вторичного износа инструмента. Сущность этого способа состоит в
установлении потери массы свинцовой дроби в результате ее истирания
раздробленной и просеянной породой (размер фракции не более 0,5 мм),
полученной толчением при определении ее динамической прочности.
Прибор для определения абразивности пород ПОАП-2 (рисунок 1.8)
состоит из электродвигателя 1, муфты 2, вала 7 с шатунами 8 и рабочих органов
3 (левого и правого) в виде горизонтальных стаканов с крышками. В каждом
стакане размещены три пробирки из органического стекла. Свинцовую дробь
(размер № 5) диаметром 3 мм в количестве 19 дробинок (общей массой около 3
г) взвешивают на аптекарских весах (с точностью до 10 мг) и записывают
результат. В каждую пробирку помещают от 3 до 4 дробинок и просеянную
породу в количестве 1 см3. После установки пробирок в рабочие органы их
закрывают крышками и включают электродвигатель на 20 мин. От
электродвигателя через муфту и вал с шатунами возвратно-поступательное
движение передается рабочим органам, пробиркам и в них свинцовой дроби и
испытуемой породе. Число двойных ходов (вперед, назад) рабочих органов
равно 1400 в 1 мин при длине хода 16 мм. По истечении 20 мин мотор
выключают, извлекают дробь из пробирок, промывают в воде и взвешивают
для определения потери массы.
Коэффициент абразивности шлама Кабр (безразмерная величина)
Кабр = Q/100
(1.21)
где Q — потеря массы дроби от абразивного воздействия шлама
испытуемой горной породы, мг;
26
100 — потеря массы дроби от абразивного воздействия шлама
некоторой среднеабразивной породы, принятая для сравнения за постоянную
величину, мг.
1 — электродвигатель; 2— муфта; 3 — рабочий орган; 4 — скоба; 5 —
направляющая; 6 — маховик; 7 — вал; 8 — шатун; 9 — плита (основание
прибора)
Рисунок 1.8 – Схема прибора ПОАП-2 для определения абразивности шлама
горных пород по способу износа свинцовых шариков (способ Н. И. Любимова)
Величина коэффициента абразивности шлама Кабр определенная по
формуле (1.21) для горных пород, изменяется в пределах 0—3,0. Н.И. Любимов
составил таблицу абразивности шлама горных пород, состоящую из шести
групп по возрастающей степени абразивности с интервалом изменения
коэффициентов абразивности 0,5. В первые две группы вошли бескварцевые
породы с Кабр от 0 до 1 (мрамор, известняк, доломит). Породы третьей и
четвертой групп с Кабр от 1 до 2 представлены породами с, умеренным
содержанием кварца (диабаз, сиенит). Пятую и шестую группы с К абр от 2 до 3
составляют породы с большим содержанием кварца (кварц жильный, гранит,
кварцит).
1.4.14 Буримость горных пород
Буримостью
называется
сопротивляемость
горной
породы
проникновению в нее породоразрушающего инструмента.
Буримость горных пород является комплексной величиной, зависящей,
во-первых, от механических и абразивных свойств горных пород в забойных
условиях, во-вторых, от применяемой техники и технологии бурения, а именно:
от способа бурения, от типа и диаметра породоразрушающего инструмента.
Буримость определяют при оптимальном режиме бурения.
Буримость измеряют двумя способами.
По первому способу буримость горной породы измеряют средней
механической скоростью vмех чистого бурения породоразрущающим
инструментом данного типоразмера при оптимальном режиме бурения
27
vмех = L/Т, м/ч
(1.22)
где L — интервал глубины ствола скважины;
Т — время бурения в толще испытуемой породы.
По второму способу буримость горной породы измеряют затратой
времени t в минутах на чистое бурение 1 м ствола скважины
породоразрушающим инструментом данного "типоразмера при оптимальном
режиме бурения.
Для вращательного колонкового бурения горные породы разделены на
двенадцать категорий по возрастающей трудности бурения. Критерием
отнесения породы к той или иной категории буримости является механическая
скорость бурения породоразрушающим инструментом установленного
типоразмера при оптимальном режиме бурения.
Буримость горных пород является одним из основных факторов,
определяющих
производительность
труда
в
процессе
бурения
геологоразведочных скважин.
На практике в геологических организациях категорию буримости пород
устанавливает участковый геолог путем макроскопического определения
принадлежности данной горной породы к той или иной категории пород по
буримости. При таком визуальном субъективном способе возможны ошибки в
определении категорий буримости пород.
Определять категорию буримости пород по величине механической
скорости бурения в производственных условиях не всегда представляется
возможным, так как бурение производится разными типоразмерами
породоразрушающих инструментов при разных режимах бурения.
Поэтому при вращательном колонковом бурении применяют следующие
объективные методы определения категорий буримости горных пород: 1) метод
ЦНИГРИ, 2) метод ВИТР и 3) метод опытного бурения.
1.4.15 Определение категорий буримости горных пород по методу
ЦНИГРИ
По методу ЦНИГРИ вначале определяют объединенный показатель р„
динамической прочности и абразивности породы, равный
ρм = 3 Fд0,8 К абр
(1.23)
где Fд — динамическая прочность испытуемой горной породы;
Кабр—коэффициент абразивности шлама той же породы.
Затем по вычисленной величине объединенного расчетного показателя ρм
по таблице Классификация горных пород по буримости для вращательного
механического бурения определяют категорию буримости горной породы.
28
1.4.16 Определение категорий буримости горных пород по методу ВИТР
По методу ВИТР определение буримости горных пород производится
при помощи прибора ВИТР-ОТ (О — определитель, Т — твердость). Прибор
(рисунок1.9) основан на принципе резания испытуемого керна породы 1
абразивным кругом 13. При соблюдении постоянными условий опыта: ширины
реза, качества абразивного круга, частоты его вращения и нагрузки на керн при
резании, результат опыта — глубина реза Н — будет зависеть от физикомеханических свойств испытуемого образца. Эту глубину реза измеряют
стрелочным индикатором 9. Прибор позволяет по боковой поверхности керна
сделать несколько резов и тем самым опробовать разновидности неоднородной
породы. По результатам измерения глубины нескольких резов вычисляют
среднее арифметическое значение глубины реза. По средней глубине реза при
нагрузке на керн 10 Н для пород IV—VII категорий и 41 Н—для более крепких
пород определяют категорию буримости испытуемой породы.
Чем выше категория буримости, тем меньше значение глубины реза.
1 — керн; 2 — винт струбцины; 3 — шланг; 4 — кран для регулирования
подачи воды; 5 — рычаг: 6 — мерительный стержень индикатора; 7 —
противовес; 8 — стрелка индикатора; 9 — стрелочный индикатор часового
типа; 10 — электродвигатель; 11— концевой выключатель; 12 – редуктор; 13 —
абразивный круг; 14 — плита качающейся системы; 15 — вилка; 16— кнопка
«Пуск»; 17—плита для закрепления керна
Рисунок 1.9 – Прибор для определения категорий буримости горных пород
ВИТР-ОТ
1.4.17 Определение категорий буримости горных пород по методу
опытного бурения
Этот метод применяют в новых районах бурения в наиболее характерных
и распространенных породах данного месторождения. Бурение осуществляется
породоразрушающим инструментом оптимального типоразмера, не имеющим
предварительного износа, при оптимальном режиме бурения с применением
контрольно-измерительной аппаратуры и с отбором керна. На протяжении не
менее пяти рейсов чистого бурения регистрацию проходки производят через
29
каждые 20 мин. По данным обработки хронометражных наблюдений и данным
лабораторных исследований кернов устанавливают категории буримости
горных пород. Затем составляют коллекции пород данного месторождения,
хранимые в специальном ящике, с указанием установленных категорий горных
пород по буримости. Эти коллекции используют на данном месторождении для
установления категорий пород, пробуренных в других скважинах.
1.4.18 Горное давление
Горным, или геостатическим, давлением называется давление,
создаваемое весом вышележащих толщ горных пород.
Выделим внутри массива пород некоторый объем в форме куба. На грани
этого куба будут действовать вертикальное сжимающее давление и
горизонтальное, или боковое, давление.
Вертикальное сжимающее горное давление рz на горизонтальных гранях
выделенного объема равно
рz = γобН, кН/м2 = 0,1 γобН, Н/см2
(1.24)
где γобН — средний объемный вес горных пород массива, кН/м3;
Н — глубина залегания участка, для которого подсчитывается
давление, м.
Горизонтальное, или боковое, сжимающее горное давление рz на
вертикальных гранях выделенного объема равно:
рz = Арz = А γобН, кН/м2 = 0,1А γобН Н/см2,
где А =

1 
(1.25)
коэффициент бокового распора, показывающий, какую долю
вертикального давления составляет сила бокового давления;
μ — коэффициент Пуассона.
1.4.19 Влияние глубины залегания пород на их механические свойства
Горные породы, залегающие на большой глубине, подвергаются
значительному
всестороннему
сжатию,
вызванному
горным,
или
геостатическим, давлением. Всестороннее сжатие приводит к закрытию пор,
уплотнению пород, изменению их физико-механических свойств и снижению
буримости пород.
При этом породы высокой твердости (имеющие рш > 3000 Н/см2) мало
изменяют свои механические свойства под влиянием высоких давлений и
температур, имеющих место на больших глубинах.
Наоборот, осадочные породы невысокой твердости и плотности на
больших глубинах под влиянием высоких давлений и температур уплотняются
и твёрдость их может увеличиться в 2—3 раза, в соответствии с чем эти породы
30
перейдут в более высокие категории буримости и скорость бурения в них
уменьшится.
В недрах под действием горного давления породы находятся в условиях
всестороннего сжатия и вследствие этого приобретают упругопластические
свойства. По третьему закону Ньютона (действие силы равно
противодействию) горное давление взаимно уравновешивается. Проведение
буровых скважин вызывает нарушение этого равновесия. Вертикальное
сжимающее горное давление рz в стенках буровых скважин вызовет
касательные стенкам напряжения. Если касательные напряжения превышают
предел прочности горных пород на сдвиг и скалывание, то в стенках буровых
скважин возможно саморазрушение пород, проявляющееся в виде обвалов и
осыпей.
1.4.20 Гидростатическое давление столба жидкости в скважине
При бурении с промывкой скважина заполнена промывочной жидкостью.
Гидростатическое давление рж столба жидкости в скважине на глубине L в
международной системе СИ равно
рж = γж L, Н/м2 = γж = L, Па
(1.26)
где γж — удельный вес жидкости, заполняющей скважину, Н/м3;
L — высота столба жидкости в скважине, м.
Давление, создаваемое столбом промывочной жидкости, с одной
стороны, поддерживает стенки скважины от обрушения, а с другой — сжимает
и уплотняет породу забоя и поэтому затрудняет ее разрушение при бурении,
снижает механическую скорость бурения.
Если при достаточной устойчивости стенок глинистый раствор заменить
водой, то гидростатическое давление столба жидкости уменьшится, что
увеличит скорость бурения.
1.4.21 Виды (процессов разрушения горных пород при бурении
При бурении на забое отмечаются следующие виды разрушения горных
пород: объемное, поверхностное и усталостное.
Объемное разрушение происходит тогда, когда на контакте породы с
рабочими элементами породоразрушающего инструмента (лезвиями, резцами,
зубками) возникает напряжение, Превосходящее твердость породы при
вдавливании, т.е. когда
C oc
>рш
F
(1.27)
где Сос — осевая нагрузка на псродоразрушающий инструмент, Н;
F
—
общая
площадь
контактов
рабочих
элементов
2
породоразрушающего инструмента с породой, мм ;
рш — твердость породы при вдавливании пуансона, Н/мм2.
31
При соблюдении неравенства (1.27) породоразрушающий инструмент
своими лезвиями, резцами, зубками будет внедряться в породу и при вращении
эффективно разрушать ее.
При бурении разрушается не только порода; одновременно происходит
износ и затупление лезвий, резцов, зубков. Поэтому площадь контактов в
процессе бурения постепенно увеличивается.
Поверхностное разрушение происходит, когда на контакте рабочих
элементов породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение
меньше твердости, т. е. местной прочности при вдавливании,
C oc
<рш
F
(1.28)
В этом случае рабочие элементы породоразрушающего инструмента не
проникают в породу. Происходит поверхностное истирание породы и
инструмента. Поверхностное разрушение является малоэффективным,
характеризуется весьма малой скоростью бурения и образованием
тонкоразмельченного шлама.
Усталостное разрушение происходит при таких контактных
напряжениях, которые недостаточны для внедрения в породу при однократном
воздействии рабочих элементов породоразрушающего инструмента, т.е.
соблюдается условие, записанное формулой (1.28). После многократного
приложения
нагрузки,
передаваемой
рабочими
элементами
породоразрушающего инструмента на одни и те же площадки породы забоя, в
них развивается система микротрещин. Поэтому твердость породы забоя
постепенно снижается и периодически возникают условия для объемного
разрушения.
Усталостью называется изменение механических свойств горной породы
от многократно приложенной нагрузки. Усталость проявляется образованием в
породе системы микротрещин, уменьшающих твердость, т.е. ослабляющих
местную прочность породы на вдавливание.
Усталостное разрушение происходит от приложения на одни и те же
контактные площадки забоя достаточно большого числа циклов нагружения,
например оборотов долота или коронки при вращательном бурении. По
эффективности оно занимает промежуточное положение между объемным и
поверхностным разрушением, характеризуется умеренной скоростью бурения и
образованием крупного и мелкого шлама.
При бурении с заточенными лезвиями долота или резцами коронки при
достаточной осевой нагрузке вначале происходит объемное разрушение,
которое вследствие затупления лезвий резцов переходит в усталостное и,
наконец, в поверхностное. Надо стремиться производить бурение при
объемном разрушении породы и извлекать из скважины породоразрушающий
инструмент для замены на стадии усталостного разрушения.
32
1.5 Основные технологические понятия и показатели бурения
Показателями бурения называются параметры, характеризующие
количество и качество результатов проходки скважин. Главнейшими из них
являются: скорость, стоимость 1 м пробуренной скважины, процент выхода
керна, направление ствола скважины и др.
Режимом бурения называется сочетание параметров, которые могут
изменяться бурильщиком.
Так, например, при вращательном бурении основными параметрами
режима бурения являются:
1) осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент;
2) частота вращения бурового снаряда;
3) качество очистного агента (воды, бурового раствора или сжатого
воздуха);
4) объемный расход, т.е. объем в единицу времени очистного агента.
Различают следующие разновидности режимов бурения:
1)оптимальный,
2) рациональный
3) специальный.
Оптимальным режимом бурения называется сочетание параметров
режима бурения, обеспечивающих максимальную скорость бурения в данных
геолого-технических условиях при данном типоразмере породоразрушающего
инструмента и при обеспечении требуемых качественных показателей:
надлежащего направления ствола скважины и высокого выхода керна. Такой
режим бурения возможен при условии, когда техническая вооруженность
буровой установки (т.е. мощность двигателя, выбор скорости вращения
инструмента, качество очистного агента, изменение расхода этого агента,
прочность всех деталей бурового снаряда) не ограничивает выбора величины
параметров режима бурения.
Рациональным режимом бурения называется сочетание режимных
параметров, обеспечивающих максимальную скорость бурения и требуемые
качественные показатели при данной технической вооруженности буровой
установки, когда выбор параметров режима ограничен техническими
возможностями.
Например,
недостаточной
мощностью
двигателя,
ограниченным выбором частот вращения инструмента, малой прочностью
деталей (особенно бурильной колонны), недостаточным объемным расходом
очистного агента.
Специальным режимом бурения называется сочетаний специальных
технологических задач. Например, взятие керна полезного ископаемого с
помощью специальных технических средств, выпрямление ствола скважины,
искусственное искривление скважины в заданном направлении и др. В этом
случае величина скорости бурения имеет подчиненное значение.
Рейсом бурения называется комплекс работ, затраченных на выполнение
следующих рабочих операций: 1) спуск бурового снаряда в скважину; 2) чистое
33
бурение, т.е. углубление скважины (основная операция); 3) подъем бурового
снаряда из скважины.
Скорости бурения. Введем следующие обозначения: L, м — глубина
скважины; Тбур, ч — продолжительность чистого бурения скважины; Тсп, ч —
продолжительность спускоподъемных операций, необходимых для смены
породоразрушающего инструмента, расширения скважины при спуске нового
породоразрушающего инструмента, подъема керна, и время на наращивание
инструмента; Тдоп, ч — продолжительность всех дополнительных
производительных работ, кроме предусмотренных выше затрат времени Т бур и
Теп; сюда относится время на крепление, инклинометрию, испытание,
тампонирование скважины, установку фильтра в скважинах на воду; Тнеп, ч —
продолжительность непроизводительных для бурения затрат времени
(остановки, ремонты, ликвидация аварий в скважине); Твм, ч —
продолжительность монтажа и демонтажа вышки и буровой установки,
извлечение обсадных труб и ликвидация скважины.
Учитывая наличие при производстве буровых работ перечисленных
затрат времени, в зависимости от количества учтенных затрат времени,
получим нижеследующие разновидности скоростей бурения.
Средняя механическая скорость бурения vср равна
vср = L/Тбур, м/ч
(1.29)
Рейсовая скорость бурения vр равна
vр =
L
м/ч
Táóð  Tñï
(1.30)
Техническая скорость бурения vр равна
vт =
L
, м/ч
Táóð  Tñï  Òäîï
(1.31)
Коммерческая скорость бурения vк равна
vк =
L
Táóð  Tñï  Òäîï  Òíåï
(1.32)
Цикловая скорость бурения vц равна
vц =
L
Táóð  Tñï  Òäîï  Òíåï  Òâì
(1.33)
34
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Булнаев И.Б. Техника и технология отбора проб при разведочном бурении.
М., Недра, 1975.
Воздвиженский Б.И., Волков С.А. Разведочное колонковое бурение. М.,
Госгеолтехиздат, 1957.
Воздвиженский Б.И., Сидоренко Л.К., Скорняков А.Л. Современные
способы бурения скважин. М., Недра, 1978.
Гайдуков Ю. И., Крючков И. А., Баранов О. В. Методика, техника и
технология кернового опробования угольных месторождений. М., Недра,
1975.
Голубинцев О.Н. Механические и абразивные свойства горных пород и их
буримость. М., Недра, 1968.
Граф Л.Э., Киселев А.Т., Коган Д.И. Техника и технология гидроударного
бурения. М., Недра, 1975.
Зиненко В.П. Лекции по курсу «Искривление скважин, направленное и
многоствольное бурение», М., МГРИ, 1975.
Исаев М.И., Пономарев П.В. Основы прогрессивной технологии алмазного
бурения геологоразведочных скважин. М., Недра, 1975.
Исаев М.И. Технический прогресс и новые достижения в колонковом
бурении. М., Недра, 1976.
Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Окмянский А.С. Современные зарубежные
буровые станки и установки. М., Недра, 1976.
Кардыш В. Г. Станки для алмазного поискового бурения. Л., Недра, 1978.
Козловский Е.А. Оптимизация процесса разведочного бурения. М., Недра,
1975.
Козловский Е.А., Гафиатуллин Р.X. Автоматизация процесса
геологоразведочного бурения. М., Недра, 1977.
Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И. Разведочное бурение. М., Недра,
1973.
Лачинян Л.А., Угаров С.А. Конструирование, расчет и эксплуатация
бурильных геологоразведочных труб и их соединений. М., Недра, 1975.
Лимитовский
А.М.
Электрооборудование
и
электроснабжение
геологоразведочных работ. М., Недра, 1977.
Лиманов Е.Л., Страбыкин И.Н., Елизаров М.И. Направленное бурение
разведочных скважин. М., Недра, 1978.
Любимов Н.И. Классификация горных пород и рациональное применение
буровой техники. М., Недра, 1977.
Марамзин А.В., Блинов Г.А. Алмазное бурение на твердые полезные
ископаемые. Л., Недра, 1977.
Овчаренко В.М., Брацлавский И.А. Основы автоматизации производства и
контрольно-измерительные приборы. Недра, М., 1974.
Полежаев П.В., Борисович В.Т., Властоеский А.М. Организация и
планирование геологоразведочных работ. М., Недра, 1977.
22
23
24
25
26
27
28
29
35
Руководство по эксплуатации комплекса технических средств для бурения
снарядами со съемными керноприемниками КССК-76. М., Недра, 1976.
Ребрик Б.М. Ударное бурение грунтов. М., Недра, 1976.
Ребрик Б.М. Бурение скважин при инженерно-геологических изысканиях.
М., Недра, 1973.
Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин. М., Недра, 1974
Юшков А.С., Серик Е.Л. Бурение геологоразведочных скважин, М.. Недра,
1976.
Филатов Б.С., Кошко И.И. Справочник по бурению структурно-поисковых
и сейсморазведочных скважин. М., Недра, 1975.
Шамшев Ф.А. Технология и техника разведочного бурения. М., Недра,
1973.
Воздвиженский Б.И., Голубинцев О.Н., Новожилов А.А. Разведочное
бурение. М., Недра, 1979.